CN116593339A - 一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，包括分别设置在底座左右两侧的两个X轴移动调整机构、与两个X轴移动调整机构连接的Y轴移动调整机构、与Y轴移动调整机构连接的X轴旋转调整机构、与X轴旋转调整机构连接的Y轴旋转调整机构、与Y轴旋转调整机构连接的压痕测试单元、设置底座上的原位监测扫描平台、设置在原位监测扫描平台上的三维轮廓仪、设置在底座的中部的多功能夹具体；本装置可实现压痕测试单元的五自由度运动进而对复杂曲面进行压痕测试，并可对压痕实验进行观测，装置运动灵活、测量精度高、测量速度快、适用面广，为进一步深入研究材料在曲面状态条件下的变形损伤机制提供便利。

Description

一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置

技术领域

本发明涉及精密仪器及材料测试技术领域，特别涉及一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置。

背景技术

随着电子科学技术的发展和机电一体化技术的进步，基于压痕测试技术的原位压痕测试装置得到了长足的发展。原位压痕测试装置的显著优势在于可实现压痕/划痕过程的实时在线观测，进而研究试件材料表面的变形、损伤机理。

国内外对材料力学性能原位测试的研究已经取得了巨大的进步，但是原位压痕测试装置的应用对象大都是载荷作用条件下的平整和规范的试件，为得到规范测试表面需对材料进行切磨、抛光等机加工处理，该过程增加了被测试件制备的繁琐程度，同时也为试件表面制造加工硬化、残余应力等缺陷提供了可能，严重损害其原始状态。尤其是不能对具有复杂曲面结构的材料进行原位测量，显然具有复杂曲面结构的材料在工业生产、航空航天、船舶军工、轨道交通等产业具有广阔的应用，例如航空发动机的叶片、涡轮和斜齿轮等，因此具有广泛的测试需求，传统原位压痕测试装置显然不能满足曲面结构材料的测试要求，如能够对具有任意复杂曲面结构的材料无需预制试件和表面加工处理，而进行微纳米压痕响应测试，并且能实现一次夹持可以实现多点位的测量，将提高微纳米压痕测试技术的适用范围与灵活性，大幅节省测试时间，提升测试效率。因此，研制具有多自由度、高精度、结构紧凑的原位压痕测试装置对研究表征复杂曲面结构材料的力学性能极为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，解决了现有技术存在的微纳米压痕测试装置不能对具有复杂曲面结构的试件进行原位测试的问题，避免了平整规范试件制备时易表面加工硬化和残余应力等缺陷产生可能，提高了微纳米压痕测试技术的测试效率、适用范围与灵活性。本发明通过改进压痕测试机构、多自由度的运动平台、多功能夹具体以及原位监测扫描平台结合，能够实现对任意复杂曲面结构的试件进行多点位、快速的原位压痕测试，准确表征材料的力学性能参数。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，用于对复杂形状的待测的曲面试件进行夹持、支撑和形貌扫描，对装置进行五自由度调整以垂直于曲面试件压痕试验点切平面，施加压力以产生压痕并且对压痕进行观测，包括一个矩形板状的底座、对称且间隔设置在底座左右两侧的X轴移动调整机构、与两侧的两个X轴移动调整机构连接并能够在两个X轴移动调整机构的带动下沿X轴方向前后移动的Y轴移动调整机构、与Y轴移动调整机构连接且旋转轴线沿X轴方向设置的X轴旋转调整机构、与X轴旋转调整机构连接且旋转轴线沿Y轴方向设置的Y轴旋转调整机构、与Y轴旋转调整机构连接且能够在Y轴旋转调整机构带动下沿Y轴方向旋转的用于对曲面试件施加压力以产生压痕的压痕测试单元、设置在底座上并位于压痕测试单元后方的能够沿X轴方向的轴线和Z轴方向的轴线移动的原位监测扫描平台、设置在原位监测扫描平台并位于压痕测试单元后方的三维轮廓仪、设置在底座的中部并位于压痕测试单元下方、原位监测扫描平台的前方用于夹持和支撑待测的曲面试件的多功能夹具体，设置有能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动的单筒光学显微镜；

Y轴移动调整机构安装在底座两侧的两个X轴移动调整机构的由一个一号伺服驱动电机驱动的移动平台上，使Y轴移动调整机构能够在X轴移动调整机构上沿X轴方向的轴线前后移动；

X轴旋转调整机构通过一个支撑架的底边安装固定在Y轴移动调整机构的由另一个一号伺服驱动电机驱动的移动平台上，使X轴旋转调整机构能够在Y轴移动调整机构上沿Y轴方向的轴线左右移动；

Y轴旋转调整机构安装在X轴旋转调整机构上，Y轴旋转调整机构中的U型架中间部位开有中心孔和围绕中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的装配圆孔，螺钉穿过装配圆孔使得U型架安装固定在X轴旋转调整机构的由一个二号伺服电机驱动的一号蜗轮上，能够实现Y轴旋转调整机构沿X轴方向的轴线转动；

压痕测试单元通过平台架左右两侧分别与Y轴旋转调整机构中的左侧轴承和右侧蜗轮相连装配在Y轴旋转调整机构中间，平台架左右两侧分别开有中心孔，右侧开有围绕右侧的中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的装配圆孔，左侧开有围绕左侧的中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的螺纹孔，平台架右侧通过螺钉穿过装配圆孔安装固定在由一个三号伺服电机驱动的二号蜗轮上，左侧中心孔装配有一个阶梯轴，阶梯轴的大轴径段通过螺钉与平台架左侧的螺纹孔连接，阶梯轴的小轴径段与U型架左侧的中心孔内的轴承内圈配合，使压痕测试单元能够围绕轴承和二号蜗轮形成的轴线在Y轴旋转调整机构上转动；

三维轮廓仪固定安装在原位监测扫描平台中的一个由一号电机和一个二号电机驱动能够沿X轴方向的轴线和Z轴方向的轴线移动的X轴调焦平台上，X轴调焦平台上设置有能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动的用于观测曲面试件的单筒光学显微镜；

压痕测试单元由一个音圈电机和一个压电叠堆驱动对曲面试件施加压力以产生压痕；

多功能夹具体由四个双轴气缸驱动对曲面试件夹持并由三个微型伸缩杆对曲面试件进行支撑。

进一步的技术方案包括：

X轴移动调整机构和Y轴移动调整机构的结构相同，包括一个底板，一号伺服电机通过一个一号电机支架安装在底板的前方；一个丝杠安装在底板的上方并且丝杠的一端与一号伺服电机的输出轴通过联轴器固定连接；一个螺母法兰盘同轴配合安装在丝杠上；四个相同的精密滑块两两一组安装在底板上的两条平行导轨上；两条平行导轨通过螺钉对称且间隔固定安装在底板上表面的左右两侧；一个移动平台安装固定在精密滑块上，并且能随着精密滑块沿X轴进行前后移动；螺母法兰盘又通过螺钉安装固定在移动平台的后端面上；平台板安装在移动平台的上表面上；一号伺服电机的输出轴输出的扭矩经过丝杠传递到螺母法兰盘上，最后传递到移动平台上，完成移动平台通过精密滑块沿着两条平行导轨的直线运动；Y轴移动调整机构的底板通过两个竖直设置的T型连接板与两侧的两个X轴移动调整机构的平台板固定连接。

X轴旋转调整机构的结构为：一个一号支撑架通过螺钉与Y轴移动调整机构的移动平台的平台板固定相连，一号蜗杆的两端通过轴承安装在一号支撑架上部，二号伺服电机通过一个电机架固定安装在一号支撑架的右上部，二号伺服电机的输出轴与一号蜗杆的一端相连接；一号蜗轮固定安装在一号转盘轴承的外圈，并且一号蜗轮与一号蜗杆相啮合；一号转盘轴承通过螺钉安装在一号支撑架的中部，一号转盘轴承的厚度大于一号蜗轮的厚度，能保证在一号转盘轴承安装在一号支撑架上时，一号蜗轮与一号支撑架之间存在间隙，二号伺服电机作为动力输出源，通过一号蜗杆将动力传递到一号蜗轮，从而实现一号蜗轮绕X轴方向的轴线转动，完成X轴旋转调整机构的旋转调整。

Y轴旋转调整机构是：一个二号支撑架通过螺钉安装固定在U型架右侧；结构相同的一号齿轮和二号齿轮装配在二号支撑架左上部，一号齿轮和二号齿轮相互啮合，一个三号伺服电机安装在二号支撑架的后部，并且二号齿轮与三号伺服电机的输出轴相连；二号蜗杆的两端通过轴承安装在二号支撑架的上部且与一号齿轮相连并且同轴心转动；二号蜗轮固定安装在一个二号转盘轴承的外圈，二号蜗轮和二号蜗杆相啮合；通过螺钉将二号转盘轴承和二号支撑架固定连接在一起；二号伺服电机的输出轴输出的动力经过二号齿轮传递到一号齿轮、再通过二号蜗杆传递到二号蜗轮；从而实现二号蜗轮绕Y轴方向的轴线转动，完成Y轴旋转调整机构的旋转调整。

压痕测试单元的结构为：四个相同的压痕测试单元滑块两两一组通过连接板对称且间隔固定安装在平台架上；两条平行的压痕测试单元导轨分别穿过两侧的两个压痕测试单元滑块，两条压痕测试单元导轨能够实现在Z轴方向的轴线上的线性移动；一个音圈电机的音圈电机定子通过音圈电机定子固定螺钉竖直固定安装在平台架顶部的水平部中心位置上；音圈电机的音圈电机动子的下端安装在一个一号L型电机架的水平部上，保证音圈电机动子与音圈电机定子同轴配合，音圈电机动子能够实现在音圈电机定子内线性移动，一号L型电机架的竖直部穿过开在平台架顶部的水平部位于音圈电机定子前侧的一个矩形槽，使一号L型电机架能够在平台架顶部的水平部的矩形槽中上下移动，保证L型电机架竖直部和两条压痕测试单元导轨移动时不会与平台架水平部发生运动干涉；二号L型电机架的水平部通过刚性垫环安装在一号L型电机架的水平部上，保证一号L型电机架与二号L型电机架对称布置且一号L型电机架的竖直部与二号L型电机架竖直部在同一个竖直的平面上；二号L型电机架的竖直部与一号L型电机架的竖直部均安装固定在两条压痕测试单元导轨上，二号L型电机架与一号L型电机架通过与两条压痕测试单元导轨相连能够实现沿Z轴方向上的线性移动；一个压电叠堆插入一个底边封闭上边开口的管壁镂空的圆管式柔性铰链中，压电叠堆的上端固定安装在一个端盖的中心处，压电叠堆与圆管式柔性铰链上端通过端盖安装固定在二号L型电机架的水平部的中心下方，压电叠堆的中心轴线与圆管式柔性铰链的中心轴线重合，并且压电叠堆的下端通过螺纹与开在圆管式柔性铰链下端面中心的螺纹孔相连，压电叠堆驱动加载时圆管式柔性铰链下端能够实现沿Z轴方向上微小位移，压电叠堆卸载时圆管式柔性铰链自动回复；一个压力传感器上端安装固定在圆管式柔性铰链的下端外侧；一个压杆的上端通过一个位移光栅尺的水平部安装固定在压力传感器的下端；并且位移光栅尺的两个侧边向上设置，位移光栅尺能够实现与压杆底端的压头同步运动；两个直线光栅对称安装在二号L型电机架的竖直部的上方，两个直线光栅的测量面紧贴在位移光栅尺的两个侧边的外表面上，实现微小位移的测量；两个位移传感器对称安装在平台架竖直部的后表面上，且两个位移传感器的测量面分别紧贴在一号L型电机架的竖直部的两个侧面上，实现大行程位移的测量；大行程位移由音圈电机提供，动力通过音圈电机动子传递到一号L型电机架，能够实现与一号L型电机架相连的部件沿Z轴的大行程位移；精密驱动加载由压电叠堆提供，动力由压电叠堆传递到圆管式柔性铰链，通过压力传感器、位移光栅尺和压杆，最终传递到压头。

多功能夹具体的结构为：包括两侧夹具部分和中间支撑部分，两个一号柔性矩阵夹具单元对称设置且安装固定在一个矩形的夹具体底板的左右两侧；四个双轴气缸两两一组分别安装固定在两个一号柔性矩阵夹具单元的前后两侧，两个二号柔性矩阵夹具单元的底部向上设置，两个二号柔性矩阵夹具单元的前后两侧分别与两个双轴气缸的伸出端固定相连，两个二号柔性矩阵夹具单元对称设置在两个一号柔性矩阵夹具单元的上方；待测的曲面试件放置在两个一号柔性矩阵夹具单元和两个二号柔性矩阵夹具单元的中间，两个双轴气缸的伸出端的伸出和缩回带动两个二号柔性矩阵夹具单元上下运动进而实现对曲面试件的夹持和释放；三个固定基座均匀分布于夹具体底板的中部，三个微型伸缩杆的底部分别通过铰接螺钉铰接安装在对应的固定基座上，形成转动副进而使微型伸缩杆能够在固定基座沿铰接点转动；三个球铰球头分别安装在三个微型伸缩杆的伸出杆的上端进而能够随着微型伸缩杆上下移动；一个位于曲面试件下方的三自由度平台上开有围绕中心沿圆周方向间隔均匀分布的三个螺纹孔，三个球铰螺母通过自身外螺纹安装固定在三自由度平台上的三个螺纹孔内，三个球铰球头分别与固定在三自由度平台上的三个球铰螺母连接，使球铰螺母和球铰球头形成球铰结构，形成球面副进而实现球铰球头在球铰螺母内的任意方向的转动；三个微型伸缩杆通过伸出杆的伸缩、与固定基座的铰接形成的转动副以及球铰球头和球铰螺母形成的球面副完成三自由度平台的三自由度运动，实现三自由度平台的位姿调整；四个带有可伸缩的活塞杆的自适应辅助支撑缸通过自身外螺纹安装固定在三自由度平台上的四个圆形内螺纹通孔中，其中一个自适应辅助支撑缸安装在平台的中心，另外三个均匀分布在位于中心的自适应辅助支撑缸的周围，一个支撑球头安装固定在位于中心的自适应辅助支撑缸的活塞杆的顶端，三个自适应支撑球头分别安装固定在另外三个自适应辅助支撑缸的活塞杆的顶端；四个自适应辅助支撑缸通过控制活塞杆伸出距离，实现自适应支撑球头和支撑球头与曲面试件的底面接触，完成对曲面试件底部支撑距离的调整，实现任意复杂曲面的四点支撑。

一号柔性矩阵夹具单元和二号柔性矩阵夹具单元结构相同，均是由32个单元支撑柱按照4×8的矩阵阵列形式安装在夹具型材内部形成的柔性夹具，每个单元支撑柱底部安装有弹簧和限位器能够实现在固定距离内上下自由移动，在无外力施加给单元支撑柱时，单元支撑柱在弹簧作用下保持伸出状态，并且每个单元支撑柱之间的移动互不影响，能够通过调整气压来实现对各个单元支撑体的夹紧固定；当一号柔性矩阵夹具单元和二号柔性矩阵夹具单元相对安装时，将曲面试件安放在一号柔性矩阵夹具单元和二号柔性矩阵夹具单元之间，一号柔性矩阵夹具单元和二号柔性矩阵夹具单元相对移动时就能够通过各个单元支撑柱实现对复杂曲面的夹紧。

自适应辅助支撑缸是气压式自锁限位气缸，通过气压控制自适应辅助支撑缸的活塞杆伸出和固定来实现支撑，并且自适应辅助支撑缸的活塞杆底部安装弹簧，在无外力施加给自适应辅助支撑缸的活塞杆时，自适应辅助支撑缸的活塞杆在弹簧作用下保持伸出状态，当曲面试件安放在一号柔性矩阵夹具单元和二号柔性矩阵夹具单元之间时，并在双轴气缸的伸出端缩回时，自适应辅助支撑缸的活塞杆通过自适应支撑球头和支撑球头与曲面试件底面接触随曲面试件上下活动，当一号柔性矩阵夹具单元和二号柔性矩阵夹具单元完成对曲面试件的夹紧，并在确定压痕试验点位置后，自适应辅助支撑缸的活塞杆的最终位置已经确定，并通过调整自适应辅助支撑缸的气压能够实现活塞杆的锁止，完成对曲面试件的支撑。

自适应支撑球头包括自适应支撑球和自适应支撑球座，自适应支撑球为带有一个平面的球冠体且球冠的平面向上设置，自适应支撑球通过球面副安装在自适应支撑球座内，自适应支撑球座的内球面上有一个矩形的凹槽，自适应支撑球的外球面上有一个矩形的凹槽，自适应支撑球上的矩形凹槽的中心线与自适应支撑球的平面垂直，自适应支撑球座的矩形的凹槽和自适应支撑球的矩形的凹槽通过一个弹性材质的矩形块连接，使自适应支撑球能在自适应支撑球座内转动并具备回位的趋势，以实现自适应支撑球头对曲面试件支撑；支撑球头包括支撑球和支撑球座，支撑球为球体，支撑球通过球面副安装在支撑球座内，支撑球能在支撑球座内自由转动。

原位监测扫描平台的结构为：一个单筒光学显微镜通过一个旋转轴线沿Y轴方向设置的Y轴角度调节架安装在一个旋转轴线沿Z轴方向设置的Z轴角度调节架上，使单筒光学显微镜能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动；Y轴角度调节架的旋转轴线的一端设置有一个Y轴角度调节旋钮，旋转Y轴角度调节旋钮能够使单筒光学显微镜沿Y轴角度调节架的旋转轴线转动；Z轴角度调节架的底部水平设置有一个环形的Z轴角度调节环，Z轴角度调节架的底部转动安装在X轴调焦平台上，旋转Z轴角度调节环能够使单筒光学显微镜在Z轴角度调节架的带动下沿Z轴角度调节架的旋转轴线转动；

X轴调焦平台与固定在一个Z轴调焦平台的水平部上的一号电机的水平方向设置的输出轴通过一个一号电机丝杠螺母和一个一号电机丝杠连接，一号电机的输出轴固定连接有一号电机丝杠，X轴调焦平台的侧端面上固定设置有一号电机丝杠螺母，一号电机丝杠螺母与一号电机丝杠螺纹连接，X轴调焦平台底部的X轴调焦平台滑块与两条间隔对称设置的X轴调焦平台导轨滑动配合连接，两条X轴调焦平台导轨安装固定在Z轴调焦平台的水平部上，一号电机的输出轴带动一号电机丝杠转动带动一号电机丝杠螺母前后移动以驱动X轴调焦平台在Z轴调焦平台的水平部上沿X轴方向前后移动；

Z轴调焦平台与固定设置在T型支撑板上的二号电机的竖直方向设置的输出轴通过一个二号电机丝杠螺母和一个二号电机丝杠连接，二号电机的输出轴固定连接有二号电机丝杠，Z轴调焦平台的侧端面上固定设置有二号电机丝杠螺母，二号电机丝杠螺母与二号电机丝杠螺纹连接，Z轴调焦平台底部的Z轴调焦平台滑块与安装在一个竖直设置的T型支撑板上的两条间隔对称设置的Z轴调焦平台导轨滑动配合连接，T型支撑板位于夹具体底板的后方，二号电机的输出轴带动二号电机丝杠转动带动二号电机丝杠螺母上下移动以驱动Z轴调焦平台在T型支撑板上沿Z轴方向上下移动，进而能够实现单筒光学显微镜成像区域的四个自由度调节，实现大范围内力学性能测试区域原位观测成像；

两个三维轮廓仪安装固定在X轴调焦平台上并位于单筒光学显微镜的两侧，且三维轮廓仪的扫描探头朝向曲面试件，三维轮廓仪能够随X轴调焦平台进行两个自由度运动，实现对曲面试件的三维形貌扫描。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明专利提出了一种适用于复杂曲面材料试件的原位压痕测试装置，压痕测试装置采用多轴运动策略，改变了传统压痕仪压头单一自由度的运动方式，利用固定在底座上的X轴移动调整机构与固定在X轴移动调整机构移动平台上的Y轴移动调整机构串联，实现了压痕测试单元的两个移动自由度，利用安装在Y轴移动调整机构上的X轴旋转调整机构与安装在X轴旋转调整机构上的Y轴旋转调整机构串联，实现了压痕测试单元在X、Y两轴的旋转自由度，并且利用压痕测试单元的音圈电机与压电叠堆串联，完成了压痕测试单元在Z轴上的移动自由度，压痕测试单元可实现五自由度运动，其优点在于可对任意复杂曲面试件进行多点位的原位压痕测试，不需要为了得到平整测试表面而对材料进行切割、打磨等加工处理，能保证材料表面原有力学性能状态，提高了压痕测试技术的适用范围，而且具有结构运动控制简单，测量速度快等特点。

2、本发明专利所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置中X轴旋转调整机构和Y轴旋转调整机构的回转运动用于实现压痕测试单元在X轴和Y轴的角度调节，两者都采用伺服电机驱动，齿轮、蜗轮蜗杆传动，具有传动精度高，传动比大，机构运动自锁，结构紧凑，误差间隙小等特点。

3、本发明结合音圈电机改进了压痕测试单元，采用音圈电机提供大行程高可靠性的压痕位移，其优点在于音圈电机动子与音圈电机定子通过电磁感应来传递动力，无接触没有机械摩擦，运动平滑，对力和位移感知度高，响应速度快，在压头接触到试件表面初刻就能停止位移加载，避免了传统大行程运动时，多部件刚度和装配带来的误差；并且基于音圈电机的输出力与电流成正关系，在压痕测试中可以通过音圈电机对系统误差进行补偿。

4、本发明专利提出了一种适合于复杂曲面试件的多功能夹具体，采用四个柔性矩阵夹具单元和四个双轴气缸分成两组实现对曲面试件的夹紧，采用三个微型伸缩杆组成的三自由度平台和四个自适应辅助支撑缸串联，实现了对曲面试件的支撑，其优点在于柔性矩阵夹具单元由矩阵单元支撑柱组成，两个柔性矩阵夹具单元相对安装并且通过控制每个单元支撑柱的伸出距离，就可实现对任意复杂曲面试件的夹紧；三自由度平台通过调整三个微型伸缩杆伸出距离实现三自由度平台的支撑位姿调整，自适应辅助支撑缸固定在三自由度平台上，控制伸出距离可实现对曲面试件的支撑，结合三自由度平台位姿控制和自适应辅助支撑缸伸出距离，可对曲面试件的压痕试验位置进行支撑。

5、本发明专利所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置采用三维轮廓仪扫描曲面试件表面获取三维轮廓信息，反馈给装置控制系统对三维形貌信息进行处理，在压痕试验点确定后，控制伸缩杆，完成了对试件压痕实验点区域的支撑，并且实时控制伺服电机、音圈电机，对压痕测试单元空间位置进行调节，实现压痕测试单元垂直于压痕试验点的相切平面，可准确测量出试件的硬度、弹性模量和蠕变特性等材料的力学性能参数。

6、本发明专利所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置采用控制系统闭环控制动力元件，实时监测各个伺服电机、音圈电机、压电叠堆和微型伸缩杆等的位置信息和动态信号，并且反馈给装置控制系统，其优点在于不仅能准确测量出试件材料力学性能，还能对压痕测试单元进行多轴空间位置变换，可以在曲面试件夹紧后进行多点位的压痕试验。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明提供的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置的轴测图。

图2为本发明中的X轴移动调整机构的轴测图。

图3为本发明中的X轴旋转调整机构的轴测图。

图4为本发明中的Y轴旋转调整机构的轴测图。

图5为本发明中的X轴旋转调整机构与Y轴旋转调整机构的装配示意图。

图6为本发明中的压痕测试单元的轴测图。

图7为本发明中的压痕测试单元各部件装配关系的爆炸轴测图。

图8为本发明中的压痕测试单元与Y轴旋转调整机构的装配示意图

图9为本发明中的多功能夹具体的轴测图。

图10为本发明中的自适应支撑球头和支撑球头支撑待测的曲面试件的示意图。

图11为本发明中的三自由度平台的一个工作位置示意的轴测图。

图12为本发明中的三维形貌扫描与显微观测的示意图。

图13为本发明中的多功能夹具体和原位监测扫描平台主视图。

图14为本发明中的多功能夹具体的侧视图。

图15为本发明中的压痕测试装置的侧视图。

图中：1.X轴移动调整机构，2.Y轴移动调整机构，3.X轴旋转调整机构，4.Y轴旋转调整机构，5.压痕测试单元，6.原位监测扫描平台，7.三维轮廓仪，8.多功能夹具体，9.底座，11.一号伺服电机，12.一号电机支架，13.丝杠，14.螺母法兰盘，15.精密滑块，16.移动平台，17.平台板，18.平行导轨，19.底板，110.T型连接板，31.一号支撑架，32.一号蜗杆，33.电机架，34.二号伺服电机，35.一号蜗轮，36.一号转盘轴承，41.U型架，42.一号齿轮，43.二号支撑架，44.二号蜗杆，45.二号齿轮，46.三号伺服电机，47.二号蜗轮，48.二号转盘轴承，49.轴承，51.平台架，52.刚性垫环，53.音圈电机定子固定螺钉，54.音圈电机，541.音圈电机动子，542.音圈电机定子，55.一号L型电机架，56.位移传感器，57.二号L型电机架，58.端盖，59.圆管式柔性铰链，510.直线光栅，511.位移光栅尺，512.压头，513.压杆，514.压力传感器，515.连接板，516.压痕测试单元导轨，517.压痕测试单元滑块，518.压电叠堆，519.阶梯轴，61.单筒光学显微镜，62.Y轴角度调节旋钮，63.X轴调焦平台，64.X轴调焦平台导轨，65.一号电机，66.X轴调焦平台滑块，67.二号电机，68.Z轴调焦平台，69.Z轴调焦平台导轨，610.Z轴调焦平台滑块，611.Y轴角度调节架，612.Z轴角度调节架，613.T型支撑板，614.Z轴角度调节环，615.一号电机丝杠，616.一号电机丝杠螺母，617.二号电机丝杠，618.二号电机丝杠螺母，81.一号柔性矩阵夹具单元，82.双轴气缸，83.二号柔性矩阵夹具单元，84.曲面试件，85.自适应支撑球头，851.自适应支撑球，852.自适应支撑球座，86.球铰螺母，87.支撑球头，871.支撑球，872.支撑球座，88.三自由度平台，89.自适应辅助支撑缸，810.球铰球头，811.微型伸缩杆，812.铰接螺钉，813.夹具体底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参见图1、图15，一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，用于对复杂形状的待测的曲面试件84进行夹持、支撑和形貌扫描，对装置进行五自由度调整以垂直于曲面试件84压痕试验点切平面，施加压力以产生压痕并且对压痕进行观测，其特征在于，包括一个矩形板状的底座9、对称且间隔设置在底座9左右两侧的X轴移动调整机构1、与两侧的两个X轴移动调整机构1连接并能够在两个X轴移动调整机构1的带动下沿X轴方向前后移动的Y轴移动调整机构2、与Y轴移动调整机构2连接且旋转轴线沿X轴方向设置的X轴旋转调整机构3、与X轴旋转调整机构3连接且旋转轴线沿Y轴方向设置的Y轴旋转调整机构4、与Y轴旋转调整机构4连接且能够在Y轴旋转调整机构4带动下沿Y轴方向旋转的用于对曲面试件84施加压力以产生压痕的压痕测试单元5、设置在底座9上并位于压痕测试单元5后方的能够沿X轴方向的轴线和Z轴方向的轴线移动的原位监测扫描平台6、设置在原位监测扫描平台6并位于压痕测试单元5后方的三维轮廓仪7、设置在底座9的中部并位于压痕测试单元5下方、原位监测扫描平台6的前方的用于夹持和支撑待测的曲面试件84的多功能夹具体8，设置有能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动的单筒光学显微镜61；

参见图1、图15，Y轴移动调整机构2的底板19通过螺钉固定在两个T型连接板110竖直面上，T型连接板110水平面通过螺钉与平台板17相连，Y轴移动调整机构2安装在底座两侧的两个X轴移动调整机构1的由一个一号伺服驱动电机11驱动的移动平台16上，使Y轴移动调整机构2能够在X轴移动调整机构1上沿X轴方向的轴线前后移动；

参见图3，X轴旋转调整机构3通过螺钉穿过支撑架31底边围绕中心沿圆周方向均匀分布的装配圆孔，旋紧在平台板17相对应的螺纹孔内，安装固定在Y轴移动调整机构2的由另一个一号伺服驱动电机11驱动的移动平台16上，使X轴旋转调整机构3能够在Y轴移动调整机构2上沿Y轴方向的轴线左右移动；

参见图5，Y轴旋转调整机构4安装在X轴旋转调整机构3上，Y轴旋转调整机构4中的U型架41中间部位开有中心孔和围绕中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的装配圆孔，八个内六角螺钉穿过装配圆孔旋紧在一号蜗轮35相对应的螺纹孔内，使得U型架41安装固定在X轴旋转调整机构3的由一个二号伺服电机34驱动的一号蜗轮35上，U型架41可以与一号蜗轮35同步转动，能够实现Y轴旋转调整机构4沿X轴方向的轴线转动；

参见图6、图8，压痕测试单元5通过平台架51左右两侧分别与Y轴旋转调整机构4中的左侧轴承49和右侧蜗轮47相连装配在Y轴旋转调整机构4中间，平台架51左右两侧分别开有中心孔，右侧开有围绕右侧的中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的装配圆孔，左侧开有围绕左侧的中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的螺纹孔，平台架51右侧通过八个内六角螺钉穿过装配圆孔安装固定在由一个三号伺服电机46驱动的二号蜗轮47上，左侧中心孔装配有一个阶梯轴519，阶梯轴519的大轴径段通过四个螺钉穿过阶梯轴519大轴径段右端面的装配圆孔旋紧在平台架51左侧相对应的螺纹孔内，阶梯轴519的小轴径段与U型架41左侧的中心孔内的轴承49内圈过渡配合，平台架51可以与二号蜗轮47同步转动，使压痕测试单元5能够围绕轴承49和二号蜗轮47形成的轴线在Y轴旋转调整机构4上转动；

参见图1、图12、图13、图15，三维轮廓仪7通过底边固定安装在原位监测扫描平台6中的一个由一号电机65和一个二号电机67驱动能够沿X轴方向的轴线和Z轴方向的轴线移动的X轴调焦平台63上，X轴调焦平台63上设置有能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动的用于观测曲面试件84的单筒光学显微镜61；

压痕测试单元5由一个音圈电机54和一个压电叠堆518驱动对曲面试件84施加压力以产生压痕；

多功能夹具体8由四个双轴气缸82驱动对曲面试件84夹持并由三个微型伸缩杆811驱动三自由度平台88对曲面试件84进行支撑；

参见图2，X轴移动调整机构1和Y轴移动调整机构2的结构相同，包括一个底板19，一号伺服电机11通过一个一号电机支架12安装在底板19的前方；一个丝杠13前端和后端分别与轴承配合安装在底板19的上方并且丝杠13的前端与一号伺服电机11的输出轴通过联轴器固定连接；一个螺母法兰盘14同轴配合安装在丝杠13上；四个相同的精密滑块15两两一组安装在底板19上的两条平行导轨18上；两条平行导轨18通过螺钉对称且间隔固定安装在底板19上表面的左右两侧；一个移动平台16底面通过螺钉安装固定在四个间隔均匀且对称的精密滑块15上，并且能随着精密滑块15沿X轴进行前后移动；螺母法兰盘14又通过四个内六角螺钉安装固定在移动平台16的后端面上；平台板17通过螺钉安装在移动平台16的上表面上；一号伺服电机11的输出轴输出的扭矩经过丝杠13传递到螺母法兰盘14上，最后传递到移动平台16上，完成移动平台16通过精密滑块15沿着两条平行导轨18的直线运动。

参见图3，X轴旋转调整机构3的结构为：一个一号支撑架31通过螺钉与Y轴移动调整机构2的移动平台16的平台板17固定相连，一号蜗杆32的两端通过轴承安装在一号支撑架31上部，电机架33左侧面焊接在一号支撑架31右上部，二号伺服电机34通过螺钉固定安装在电机架33右侧面上，使得二号伺服电机34通过一个电机架33固定安装在一号支撑架31的右上部，二号伺服电机34的输出轴与一号蜗杆32的一端通过联轴器相连接；一号蜗轮35固定安装在一号转盘轴承36的外圈，并且一号蜗轮35与一号蜗杆32相啮合；一号转盘轴承36通过八个内六角螺钉安装在一号支撑架31的中部，一号转盘轴承36的厚度大于一号蜗轮35的厚度，能保证在一号转盘轴承36安装在一号支撑架31上时，一号蜗轮35与一号支撑架31之间存在间隙，保证一号蜗轮35转动时不会与一号支撑架31发生运动干涉，二号伺服电机34作为动力输出源，通过一号蜗杆32将动力传递到一号蜗轮35，从而实现一号蜗轮35绕X轴方向的轴线转动，完成X轴旋转调整机构3的旋转调整。

参加图4，所述Y轴旋转调整机构4是：U型架41右侧开有围绕中心沿圆周方向间隔均匀分布的装配圆孔，八个内六角螺钉从U型架41右侧外面穿过装配圆孔旋紧在二号支撑架43相对应的螺纹孔内，一个二号支撑架43通过螺钉安装固定在U型架41右侧内面；结构相同的一号齿轮42和二号齿轮45装配在二号支撑架43左上部，一号齿轮42和二号齿轮45相互啮合，一个三号伺服电机46安装在二号支撑架43的后部，并且二号齿轮45与三号伺服电机46的输出轴通过键连接相连；二号蜗杆44的两端通过轴承安装在二号支撑架43的上部且二号蜗杆44的一端与一号齿轮42通过键连接相连并且同轴心转动；二号蜗轮47固定安装在一个二号转盘轴承48的外圈，二号蜗轮47和二号蜗杆44相啮合；二号转盘轴承48通过四个内六角螺钉穿过二号转盘轴承48围绕中心均匀分布的装配圆孔，旋紧在二号支撑架43相对应的螺纹孔内，将二号转盘轴承48和二号支撑架43固定连接在一起；二号伺服电机46的输出轴输出的动力经过二号齿轮45传递到一号齿轮42、再通过二号蜗杆44传递到二号蜗轮47；从而实现二号蜗轮47绕Y轴方向的轴线转动，完成Y轴旋转调整机构4的旋转调整。

参见图6、图7，压痕测试单元5的结构为：四个相同的压痕测试单元滑块517两两一组通过连接板515对称且间隔固定安装在平台架51上，四个压痕测试单元滑块517通过螺钉固定安装在连接板515上，连接板515通过螺钉固定安装在平台架51上；两条平行的压痕测试单元导轨516分别穿过两侧的两个压痕测试单元滑块517，两条压痕测试单元导轨516能够实现在Z轴方向的轴线上的线性移动；一个音圈电机54的音圈电机定子542通过音圈电机定子固定螺钉53竖直固定安装在平台架51顶部的水平部中心位置上；音圈电机54的音圈电机动子541的下端通过内六角螺钉安装在一个一号L型电机架55的水平部中心上，保证音圈电机动子541与音圈电机定子542同轴配合，音圈电机动子541能够实现在音圈电机定子542内线性移动，一号L型电机架55的竖直部穿过开在平台架51顶部的水平部位于音圈电机定子542前侧的一个矩形槽，使一号L型电机架55能够在平台架51顶部的水平部的矩形槽中上下移动，保证L型电机架55竖直部和两条压痕测试单元导轨516移动时不会与平台架51水平部发生运动干涉；二号L型电机架57的水平部通过刚性垫环52安装在一号L型电机架55的水平部上，保证一号L型电机架57与二号L型电机架55对称布置且一号L型电机架57的竖直部与二号L型电机架55竖直部在同一个竖直的平面上；二号L型电机架57的竖直部与一号L型电机架55的竖直部均通过螺钉安装固定在两条压痕测试单元导轨516上，二号L型电机架57与一号L型电机架55通过与两条压痕测试单元导轨516相连能够实现沿Z轴方向上的线性移动；一个压电叠堆518插入一个底边封闭上边开口的管壁镂空的圆管式柔性铰链59中，压电叠堆518的上端通过螺钉固定安装在一个端盖58的中心处，压电叠堆518与圆管式柔性铰链59上端通过端盖58安装固定在二号L型电机架57的水平部的中心下方，圆管式柔性铰链59上端面开有围绕中心沿圆周方向均匀分布的螺纹孔，一号L型电机架55的水平部、刚性垫环52、二号L型电机架57的水平部和端盖58开有围绕中心沿圆周方向均匀分布的装配圆孔，六个内六角螺钉自上向下分别穿过一号L型电机架55的水平部、刚性垫环52、二号L型电机架57的水平部和端盖58的装配圆孔旋紧在圆管式柔性铰链59的螺纹孔内，使得一号L型电机架55的水平部、刚性垫环52、二号L型电机架57的水平部和端盖58固定安装为一体；压电叠堆518的中心轴线与圆管式柔性铰链59的中心轴线重合，并且压电叠堆518的下端通过螺纹与开在圆管式柔性铰链59下端面中心的螺纹孔相连，压电叠堆518驱动加载时圆管式柔性铰链59下端能够实现沿Z轴方向上微小位移，压电叠堆518卸载时圆管式柔性铰链59自动回复；一个压力传感器514上端安装固定在圆管式柔性铰链59的下端外侧；一个压杆513的上端通过一个位移光栅尺511的水平部安装固定在压力传感器514的下端；并且位移光栅尺511的两个侧边向上设置，位移光栅尺511能够实现与压杆513底端的压头512同步运动；两个直线光栅510分别通过螺钉对称安装在二号L型电机架57的竖直部的上方，两个直线光栅510的测量面紧贴在位移光栅尺511的两个侧边的外表面上，实现微小位移的测量；两个位移传感器56分别通过螺钉对称安装在平台架51竖直部的后表面上，且两个位移传感器56的测量面分别紧贴在一号L型电机架55的竖直部的两个侧面上，实现大行程位移的测量；大行程位移由音圈电机54提供，动力通过音圈电机动子541传递到一号L型电机架55，能够实现与一号L型电机架55相连的部件沿Z轴的大行程位移；精密驱动加载由压电叠堆518提供，动力由压电叠堆518传递到圆管式柔性铰链59，通过压力传感器514、位移光栅尺511和压杆513，最终传递到压头512。

参见图9、图10，多功能夹具体8的结构为：包括两侧夹具部分和中间支撑部分，两个一号柔性矩阵夹具单元81对称设置且通过螺钉安装固定在一个矩形的夹具体底板813的左右两侧；四个双轴气缸82两两一组螺钉穿过缸体装配圆孔分别安装固定在两个一号柔性矩阵夹具单元81的前后两侧，两个二号柔性矩阵夹具单元83的底部向上设置，两个二号柔性矩阵夹具单元83的前后两侧分别通过两个螺钉与两个双轴气缸82的伸出端固定相连，两个二号柔性矩阵夹具单元83对称设置在两个一号柔性矩阵夹具单元81的上方；待测的曲面试件84放置在两个一号柔性矩阵夹具单元81和两个二号柔性矩阵夹具单元83的中间，两个双轴气缸82的伸出端的伸出和缩回带动两个二号柔性矩阵夹具单元83上下运动进而实现对曲面试件84的夹持和释放；三个固定基座均匀分布于夹具体底板813的中部，三个微型伸缩杆811的底部分别通过铰接螺钉812铰接安装在对应的固定基座上，形成转动副进而使微型伸缩杆811能够在固定基座沿铰接点转动；三个球铰球头810分别安装在三个微型伸缩杆811的伸出杆的上端进而能够随着微型伸缩杆811上下移动；一个位于曲面试件84下方的三自由度平台88上开有围绕中心沿圆周方向间隔均匀分布的三个螺纹孔，三个球铰螺母86通过自身外螺纹安装固定在三自由度平台88上的三个螺纹孔内，三个球铰球头810分别与固定在三自由度平台88上的三个球铰螺母86连接，使球铰螺母86和球铰球头810形成球铰结构，形成球面副进而实现球铰球头810在球铰螺母86内的任意方向的转动；三个微型伸缩杆811通过伸出杆的伸缩、与固定基座的铰接形成的转动副以及球铰球头和球铰螺母形成的球面副完成三自由度平台88的三自由度运动，实现三自由度平台88的位姿调整；四个带有可伸缩的活塞杆的自适应辅助支撑缸89通过自身外螺纹安装固定在三自由度平台88上的四个圆形内螺纹通孔中，其中一个自适应辅助支撑缸89安装在平台的中心，另外三个均匀分布在位于中心的自适应辅助支撑缸89的周围，一个支撑球头87通过支撑球座872下部自身内螺纹安装固定在位于中心的自适应辅助支撑缸89的活塞杆的顶端，三个自适应支撑球头85分别通过自适应支撑球座852下部自身内螺纹安装固定在另外三个自适应辅助支撑缸89的活塞杆的顶端；四个自适应辅助支撑缸89通过控制活塞杆伸出距离，实现自适应支撑球头85和支撑球头87与曲面试件84的底面接触，完成对曲面试件84底部支撑距离的调整，实现任意复杂曲面的四点支撑。

一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元82结构相同，均是由32个单元支撑柱按照4×8的矩阵阵列形式安装在夹具型材内部形成的柔性夹具，每个单元支撑柱底部安装有弹簧和限位器能够实现在固定距离内上下自由移动，在无外力施加给单元支撑柱时，单元支撑柱在弹簧作用下保持伸出状态，并且每个单元支撑柱之间的移动互不影响，能够通过调整气压来实现对各个单元支撑体的夹紧固定；当一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元82相对安装时，将曲面试件84安放在一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元82之间，一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元82相对移动时就能够通过各个单元支撑柱实现对复杂曲面的夹紧。

自适应辅助支撑缸89是气压式自锁限位气缸，通过气压控制自适应辅助支撑缸89的活塞杆伸出和固定来实现支撑，并且自适应辅助支撑缸89的活塞杆底部安装弹簧，在无外力施加给自适应辅助支撑缸89的活塞杆时，自适应辅助支撑缸89的活塞杆在弹簧作用下保持伸出状态，当曲面试件84安放在一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元82之间时，并在双轴气缸82的伸出端缩回时，自适应辅助支撑缸89的活塞杆通过自适应支撑球头85和支撑球头87与曲面试件84底面接触随曲面试件84上下活动，当一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元82完成对曲面试件84的夹紧，并在确定压痕试验点位置后，自适应辅助支撑缸89的活塞杆的最终位置已经确定，并通过调整自适应辅助支撑缸89的气压能够实现活塞杆的锁止，完成对曲面试件84的支撑。

参见图10，自适应支撑球头85包括自适应支撑球851和自适应支撑球座852，自适应支撑球851为带有一个平面的球冠体且球冠的平面向上设置，自适应支撑球851通过球面副安装在自适应支撑球座852内，自适应支撑球座852的内球面上有一个矩形的凹槽，自适应支撑球851的外球面上有一个矩形的凹槽，自适应支撑球851上的矩形凹槽的中心线与自适应支撑球851的平面垂直，自适应支撑球座852的矩形的凹槽和自适应支撑球851的矩形的凹槽通过一个弹性材质的矩形块连接，使自适应支撑球851能在自适应支撑球座852内转动并具备回位的趋势，以实现自适应支撑球头85对曲面试件84支撑；支撑球头87包括支撑球871和支撑球座872，支撑球871为球体，支撑球871通过球面副安装在支撑球座872内，支撑球871能在支撑球座872内自由转动。

参见图12、图13，原位监测扫描平台6的结构为：一个单筒光学显微镜61通过一个旋转轴线沿Y轴方向设置的Y轴角度调节架611安装在一个旋转轴线沿Z轴方向设置的Z轴角度调节架612上，使单筒光学显微镜61能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动；Y轴角度调节架611的旋转轴线的一端设置有一个Y轴角度调节旋钮62，旋转Y轴角度调节旋钮62能够使单筒光学显微镜61沿Y轴角度调节架611的旋转轴线转动；Z轴角度调节架612的底部水平设置有一个环形的Z轴角度调节环614，Z轴角度调节架612的底部转动安装在X轴调焦平台63上，旋转Z轴角度调节环614能够使单筒光学显微镜61在Z轴角度调节架612的带动下沿Z轴角度调节架612的旋转轴线转动；

X轴调焦平台63与固定在一个Z轴调焦平台68的水平部上的一号电机65的水平方向设置的输出轴通过一个一号电机丝杠螺母616和一个一号电机丝杠615连接，一号电机65的输出轴通过联轴器固定连接有一号电机丝杠615，X轴调焦平台63的侧端面上固定设置有一号电机丝杠螺母616，一号电机丝杠螺母616与一号电机丝杠615螺纹连接，X轴调焦平台63底部的X轴调焦平台滑块66与两条间隔对称设置的X轴调焦平台导轨64滑动配合连接，两条X轴调焦平台导轨64安装固定在Z轴调焦平台68的水平部上，一号电机65的输出轴带动一号电机丝杠615转动带动一号电机丝杠螺母615前后移动以驱动X轴调焦平台63在Z轴调焦平台68的水平部上沿X轴方向前后移动；

Z轴调焦平台68与固定设置在T型支撑板613上的二号电机67的竖直方向设置的输出轴通过一个二号电机丝杠螺母618和一个二号电机丝杠617连接，二号电机67的输出轴通过联轴器固定连接有二号电机丝杠617，Z轴调焦平台63的侧端面上固定设置有二号电机丝杠螺母618，二号电机丝杠螺母618与二号电机丝杠617螺纹连接，Z轴调焦平台68底部的Z轴调焦平台滑块610与安装在一个竖直设置的T型支撑板613上的两条间隔对称设置的Z轴调焦平台导轨69滑动配合连接，T型支撑板613通过螺钉固定安装于底座9上位于夹具体底板813的后方，二号电机67的输出轴带动二号电机丝杠617转动带动二号电机丝杠螺母618上下移动以驱动Z轴调焦平台68在T型支撑板613上沿Z轴方向上下移动，进而能够实现单筒光学显微镜61成像区域的四个自由度调节，实现大范围内力学性能测试区域原位观测成像；

参见图12、图13，两个三维轮廓仪7通过底边安装固定在X轴调焦平台63上并位于单筒光学显微镜61的两侧，且三维轮廓仪7的扫描探头朝向曲面试件84，三维轮廓仪7能够随X轴调焦平台63进行两个自由度运动，实现对曲面试件84的三维形貌扫描。

参见图1到图15所示，本发明在实际使用时，具体工作原理如下。

一、在测试之前对曲面试件进行夹持，首先操作装置控制系统将四个双轴气缸82保持在伸出状态，然后把曲面试件84放在一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元83之间，操作装置控制系统将四个双轴气缸的伸出端缩回，调节气压控制夹紧力，完成曲面试件84的预夹紧，再通过手动调节一号柔性矩阵夹具单元81和二号柔性矩阵夹具单元83的气压，保证各个单元支撑体完全夹紧固定，最终实现曲面试件84的夹持。

二、在曲面试件84夹持后对曲面试件84进行三维形貌扫描，通过操作装置控制系统对原位监测扫描平台6的一号电机65和二号电机67进行控制，实现原位扫描平台6进行Z轴和X轴方向上两个自由度调整，使得三维轮廓仪7保持在距离曲面试件84合适的距离，能实现三维形貌的精准扫描，在此空间位置基础上，然后通过装置控制系统控制原位扫描平台6执行扫描运动，Z轴调焦平台68保持位置不动，X轴调焦平台沿X轴方向进行自前向后和自后向前移动，对曲面试件84进行两次完整扫描，完成对曲面试件84的三维形貌信息采集，并反馈给装置控制系统进行处理。

三、对曲面试件84进行支撑，测试前在控制界面对得到的三维形貌进行观察，选择压痕试验点，并在控制界面将压痕实验信息进行输入，提交装置控制系统进行处理，装置控制系统执行预定程序，寻找经过压痕试验点的切平面，调节微型伸缩杆811伸出杆伸出距离使三自由度平台88与切平面相平行，最后调节自适应辅助支撑缸89气压实现对活塞杆的锁止，完成对曲面试件84在压痕试验点下方的支撑。

四、进行压痕测试，装置控制系统对压痕试验点的位置信息进行处理，得到垂直于经过压痕试验点的切平面的垂线，且垂线过压痕试验点，然后控制三个一号伺服电机11、一个二号伺服电机34和一个三号伺服电机46对压痕测试单元5进行空间位置调整，首先调整X轴移动调整机构1和Y轴移动调整机构2，使压痕测试单元5沿X轴和Y轴移动，其次调整X轴旋转调整机构3和Y轴旋转调整机构4，使压痕测试单元5沿X轴和Y轴旋转，最终使得压痕测试单元5的中心轴线与经过压痕试验点的切平面的垂线重合；音圈电机动子541初始时刻在音圈电机定子542内处于缩回状态，控制音圈电机动子541沿Z轴运动进行宏观位移调整，实现压头512大行程快速逼近到曲面试件84压痕试验点表面，在接触曲面试件84表面初刻就立即停止，然后控制压电叠堆518进行Z轴方向精密驱动加载，对曲面试件84在压痕试验点处完成微观位移、载荷步进，完成加载后首先控制压电叠堆518在圆管式柔性铰链59作用下进行精密卸载，卸载至压力为零时刻，音圈电机54进行宏观位移卸载，直至音圈电机54和压电叠堆518回到初始位置后停止；位移传感器56记录音圈电机54宏观位移数据，直线光栅510通过位移光栅尺511记录压电叠堆518精密位移数据，压力传感器514记录压力载荷数据，位移传感器56、直线光栅510和压力传感器514并输出数据到装置控制系统，装置控制系统对数据进行处理输出载荷位移曲线等压痕测试数据，完成压痕测试。

五、进行压痕试验观测，基于原位监测扫描平台6在X轴方向的轴线和Z轴方向的轴线两个移动自由度，通过Y轴角度调节架611安装在Z轴角度调节架612上的单筒光学显微镜61，具有四个自由度，可控制一号电机65和二号电机67以及手动调节Y轴角度调节旋钮62和Z轴角度调节环614实现单筒光学显微镜61的调焦，在压痕测试过程和结束后对压痕形貌和压痕现象进行观测。

六、进行压痕实验数据表征，装置控制系统接收位移传感器56、直线光栅510和压力传感器514的数据，对数据进行处理，输出压痕测试中的载荷-位移曲线等关键力学性能参数，并且将压试验数据输出至控制界面，对压痕测试实验数据进行表征。

Claims (10)

1.一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，用于对复杂形状的待测的曲面试件(84)进行夹持、支撑和形貌扫描，对装置进行五自由度调整以垂直于曲面试件(84)压痕试验点切平面，施加压力以产生压痕并且对压痕进行观测，其特征在于，包括一个矩形板状的底座(9)、对称且间隔设置在底座(9)左右两侧的X轴移动调整机构(1)、与两侧的两个X轴移动调整机构(1)连接并能够在两个X轴移动调整机构(1)的带动下沿X轴方向前后移动的Y轴移动调整机构(2)、与Y轴移动调整机构(2)连接且旋转轴线沿X轴方向设置的X轴旋转调整机构(3)、与X轴旋转调整机构(3)连接且旋转轴线沿Y轴方向设置的Y轴旋转调整机构(4)、与Y轴旋转调整机构(4)连接且能够在Y轴旋转调整机构(4)带动下沿Y轴方向旋转的用于对曲面试件(84)施加压力以产生压痕的压痕测试单元(5)、设置在底座(9)上并位于压痕测试单元(5)后方的能够沿X轴方向的轴线和Z轴方向的轴线移动的原位监测扫描平台(6)、设置在原位监测扫描平台(6)并位于压痕测试单元(5)后方的三维轮廓仪(7)、设置在底座(9)的中部并位于压痕测试单元(5)下方、原位监测扫描平台(6)的前方用于夹持和支撑待测的曲面试件(84)的多功能夹具体(8)，设置有能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动的单筒光学显微镜(61)；

Y轴移动调整机构(2)安装在底座(9)两侧的两个X轴移动调整机构(1)的由一个一号伺服驱动电机(11)驱动的移动平台(16)上，使Y轴移动调整机构(2)能够在X轴移动调整机构(1)上沿X轴方向的轴线前后移动；

X轴旋转调整机构(3)通过一个支撑架(31)的底边安装固定在Y轴移动调整机构(2)的由另一个一号伺服驱动电机(11)驱动的移动平台(16)上，使X轴旋转调整机构(3)能够在Y轴移动调整机构(2)上沿Y轴方向的轴线左右移动；

Y轴旋转调整机构(4)安装在X轴旋转调整机构(3)上，Y轴旋转调整机构(4)中的U型架(41)中间部位开有中心孔和围绕中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的装配圆孔，螺钉穿过装配圆孔使得U型架(41)安装固定在X轴旋转调整机构(3)的由一个二号伺服电机(34)驱动的一号蜗轮(35)上，能够实现Y轴旋转调整机构(4)沿X轴方向的轴线转动；

压痕测试单元(5)通过平台架(51)左右两侧分别与Y轴旋转调整机构(4)中的左侧轴承(49)和右侧蜗轮(47)相连装配在Y轴旋转调整机构(4)中间，平台架(51)左右两侧分别开有中心孔，右侧开有围绕右侧的中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的装配圆孔，左侧开有围绕左侧的中心孔沿圆周方向间隔均匀分布的螺纹孔，平台架(51)右侧通过螺钉穿过装配圆孔安装固定在由一个三号伺服电机(46)驱动的二号蜗轮(47)上，左侧中心孔装配有一个阶梯轴(519)，阶梯轴(519)的大轴径段通过螺钉与平台架(51)左侧的螺纹孔连接，阶梯轴(519)的小轴径段与U型架(41)左侧的中心孔内的轴承(49)内圈配合，使压痕测试单元(5)能够围绕轴承(49)和二号蜗轮(47)形成的轴线在Y轴旋转调整机构(4)上转动；

三维轮廓仪(7)固定安装在原位监测扫描平台(6)中的一个由一号电机(65)和一个二号电机(67)驱动能够沿X轴方向的轴线和Z轴方向的轴线移动的X轴调焦平台(63)上，X轴调焦平台(63)上设置有能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动的用于观测曲面试件(84)的单筒光学显微镜(61)；

压痕测试单元(5)由一个音圈电机(54)和一个压电叠堆(518)驱动对曲面试件(84)施加压力以产生压痕；

多功能夹具体(8)由四个双轴气缸(82)驱动对曲面试件(84)夹持并由三个微型伸缩杆(811)对曲面试件(84)进行支撑。

2.根据权利1所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，X轴移动调整机构(1)和Y轴移动调整机构(2)的结构相同，包括一个底板(19)，一号伺服电机(11)通过一个一号电机支架(12)安装在底板(19)的前方；一个丝杠(13)安装在底板(19)的上方并且丝杠(13)的一端与一号伺服电机(11)的输出轴通过联轴器固定连接；一个螺母法兰盘(14)同轴配合安装在丝杠(13)上；四个相同的精密滑块(15)两两一组安装在底板(19)上的两条平行导轨(18)上；两条平行导轨(18)通过螺钉对称且间隔固定安装在底板(19)上表面的左右两侧；一个移动平台(16)安装固定在精密滑块(15)上，并且能随着精密滑块(15)沿X轴进行前后移动；螺母法兰盘(14)又通过螺钉安装固定在移动平台(16)的后端面上；平台板(17)安装在移动平台(16)的上表面上；一号伺服电机(11)的输出轴输出的扭矩经过丝杠(13)传递到螺母法兰盘(14)上，最后传递到移动平台(16)上，完成移动平台(16)通过精密滑块(15)沿着两条平行导轨(18)的直线运动；Y轴移动调整机构(2)的底板(19)通过两个竖直设置的T型连接板(110)与两侧的两个X轴移动调整机构(1)的平台板(17)固定连接。

3.根据权利2所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，X轴旋转调整机构(3)的结构为：一个一号支撑架(31)通过螺钉与Y轴移动调整机构(2)的移动平台(16)的平台板(17)固定相连，一号蜗杆(32)的两端通过轴承安装在一号支撑架(31)上部，二号伺服电机(34)通过一个电机架(33)固定安装在一号支撑架(31)的右上部，二号伺服电机(34)的输出轴与一号蜗杆(32)的一端相连接；一号蜗轮(35)固定安装在一号转盘轴承(36)的外圈，并且一号蜗轮(35)与一号蜗杆(32)相啮合；一号转盘轴承(36)通过螺钉安装在一号支撑架(31)的中部，一号转盘轴承(36)的厚度大于一号蜗轮(35)的厚度，能保证在一号转盘轴承(36)安装在一号支撑架(31)上时，一号蜗轮(35)与一号支撑架(31)之间存在间隙，二号伺服电机(34)作为动力输出源，通过一号蜗杆(32)将动力传递到一号蜗轮(35)，从而实现一号蜗轮(35)绕X轴方向的轴线转动，完成X轴旋转调整机构(3)的旋转调整。

4.根据权利1所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于：Y轴旋转调整机构(4)是：一个二号支撑架(43)通过螺钉安装固定在U型架(41)右侧；结构相同的一号齿轮(42)和二号齿轮(45)装配在二号支撑架(43)左上部，一号齿轮(42)和二号齿轮(45)相互啮合，一个三号伺服电机(46)安装在二号支撑架(43)的后部，并且二号齿轮(45)与三号伺服电机(46)的输出轴相连；二号蜗杆(44)的两端通过轴承安装在二号支撑架(43)的上部且与一号齿轮(42)相连并且同轴心转动；二号蜗轮(47)固定安装在一个二号转盘轴承(48)的外圈，二号蜗轮(47)和二号蜗杆(44)相啮合；通过螺钉将二号转盘轴承(48)和二号支撑架(43)固定连接在一起；二号伺服电机(46)的输出轴输出的动力经过二号齿轮(45)传递到一号齿轮(42)、再通过二号蜗杆(44)传递到二号蜗轮(47)；从而实现二号蜗轮(47)绕Y轴方向的轴线转动，完成Y轴旋转调整机构(4)的旋转调整。

5.根据权利1所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，压痕测试单元(5)的结构为：四个相同的压痕测试单元滑块(517)两两一组通过连接板(515)对称且间隔固定安装在平台架(51)上；两条平行的压痕测试单元导轨(516)分别穿过两侧的两个压痕测试单元滑块(517)，两条压痕测试单元导轨(516)能够实现在Z轴方向的轴线上的线性移动；一个音圈电机(54)的音圈电机定子(542)通过音圈电机定子固定螺钉(53)竖直固定安装在平台架(51)顶部的水平部中心位置上；音圈电机(54)的音圈电机动子(541)的下端安装在一个一号L型电机架(55)的水平部上，保证音圈电机动子(541)与音圈电机定子(542)同轴配合，音圈电机动子(541)能够实现在音圈电机定子(542)内线性移动，一号L型电机架(55)的竖直部穿过开在平台架(51)顶部的水平部位于音圈电机定子(542)前侧的一个矩形槽，使一号L型电机架(55)能够在平台架(51)顶部的水平部的矩形槽中上下移动，保证L型电机架(55)竖直部和两条压痕测试单元导轨(516)移动时不会与平台架(51)水平部发生运动干涉；二号L型电机架(57)的水平部通过刚性垫环(52)安装在一号L型电机架(55)的水平部上，保证一号L型电机架(57)与二号L型电机架(55)对称布置且一号L型电机架(57)的竖直部与二号L型电机架(55)竖直部在同一个竖直的平面上；二号L型电机架(57)的竖直部与一号L型电机架(55)的竖直部均安装固定在两条压痕测试单元导轨(516)上，二号L型电机架(57)与一号L型电机架(55)通过与两条压痕测试单元导轨(516)相连能够实现沿Z轴方向上的线性移动；一个压电叠堆(518)插入一个底边封闭上边开口的管壁镂空的圆管式柔性铰链(59)中，压电叠堆(518)的上端固定安装在一个端盖(58)的中心处，压电叠堆(518)与圆管式柔性铰链(59)上端通过端盖(58)安装固定在二号L型电机架(57)的水平部的中心下方，压电叠堆(518)的中心轴线与圆管式柔性铰链(59)的中心轴线重合，并且压电叠堆(518)的下端通过螺纹与开在圆管式柔性铰链(59)下端面中心的螺纹孔相连，压电叠堆(518)驱动加载时圆管式柔性铰链(59)下端能够实现沿Z轴方向上微小位移，压电叠堆(518)卸载时圆管式柔性铰链(59)自动回复；一个压力传感器(514)上端安装固定在圆管式柔性铰链(59)的下端外侧；一个压杆(513)的上端通过一个位移光栅尺(511)的水平部安装固定在压力传感器(514)的下端；并且位移光栅尺(511)的两个侧边向上设置，位移光栅尺(511)能够实现与压杆(513)底端的压头(512)同步运动；两个直线光栅(510)对称安装在二号L型电机架(57)的竖直部的上方，两个直线光栅(510)的测量面紧贴在位移光栅尺(511)的两个侧边的外表面上，实现微小位移的测量；两个位移传感器(56)对称安装在平台架(51)竖直部的后表面上，且两个位移传感器(56)的测量面分别紧贴在一号L型电机架(55)的竖直部的两个侧面上，实现大行程位移的测量；大行程位移由音圈电机(54)提供，动力通过音圈电机动子(541)传递到一号L型电机架(55)，能够实现与一号L型电机架(55)相连的部件沿Z轴的大行程位移；精密驱动加载由压电叠堆(518)提供，动力由压电叠堆(518)传递到圆管式柔性铰链(59)，通过压力传感器(514)、位移光栅尺(511)和压杆(513)，最终传递到压头(512)。

6.根据权利1所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，多功能夹具体(8)的结构为：包括两侧夹具部分和中间支撑部分，两个一号柔性矩阵夹具单元(81)对称设置且安装固定在一个矩形的夹具体底板(813)的左右两侧；四个双轴气缸(82)两两一组分别安装固定在两个一号柔性矩阵夹具单元(81)的前后两侧，两个二号柔性矩阵夹具单元(83)的底部向上设置，两个二号柔性矩阵夹具单元(83)的前后两侧分别与两个双轴气缸(82)的伸出端固定相连，两个二号柔性矩阵夹具单元(83)对称设置在两个一号柔性矩阵夹具单元(81)的上方；待测的曲面试件(84)放置在两个一号柔性矩阵夹具单元(81)和两个二号柔性矩阵夹具单元(83)的中间，两个双轴气缸(82)的伸出端的伸出和缩回带动两个二号柔性矩阵夹具单元(83)上下运动进而实现对曲面试件(84)的夹持和释放；三个固定基座均匀分布于夹具体底板(813)的中部，三个微型伸缩杆(811)的底部分别通过铰接螺钉(812)铰接安装在对应的固定基座上，形成转动副进而使微型伸缩杆(811)能够在固定基座沿铰接点转动；三个球铰球头(810)分别安装在三个微型伸缩杆(811)的伸出杆的上端进而能够随着微型伸缩杆(811)上下移动；一个位于曲面试件(84)下方的三自由度平台(88)上开有围绕中心沿圆周方向间隔均匀分布的三个螺纹孔，三个球铰螺母(86)通过自身外螺纹安装固定在三自由度平台(88)上的三个螺纹孔内，三个球铰球头(810)分别与固定在三自由度平台(88)上的三个球铰螺母(86)连接，使球铰螺母(86)和球铰球头(810)形成球铰结构，形成球面副进而实现球铰球头(810)在球铰螺母(86)内的任意方向的转动；三个微型伸缩杆(811)通过伸出杆的伸缩、与固定基座的铰接形成的转动副以及球铰球头和球铰螺母形成的球面副完成三自由度平台(88)的三自由度运动，实现三自由度平台(88)的位姿调整；四个带有可伸缩的活塞杆的自适应辅助支撑缸(89)通过自身外螺纹安装固定在三自由度平台(88)上的四个圆形内螺纹通孔中，其中一个自适应辅助支撑缸(89)安装在平台的中心，另外三个均匀分布在位于中心的自适应辅助支撑缸(89)的周围，一个支撑球头(87)安装固定在位于中心的自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆的顶端，三个自适应支撑球头(85)分别安装固定在另外三个自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆的顶端；四个自适应辅助支撑缸(89)通过控制活塞杆伸出距离，实现自适应支撑球头(85)和支撑球头(87)与曲面试件(84)的底面接触，完成对曲面试件(84)底部支撑距离的调整，实现任意复杂曲面的四点支撑。

7.根据权利6所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，一号柔性矩阵夹具单元(81)和二号柔性矩阵夹具单元(82)结构相同，均是由32个单元支撑柱按照4×8的矩阵阵列形式安装在夹具型材内部形成的柔性夹具，每个单元支撑柱底部安装有弹簧和限位器能够实现在固定距离内上下自由移动，在无外力施加给单元支撑柱时，单元支撑柱在弹簧作用下保持伸出状态，并且每个单元支撑柱之间的移动互不影响，能够通过调整气压来实现对各个单元支撑体的夹紧固定；当一号柔性矩阵夹具单元(81)和二号柔性矩阵夹具单元(82)相对安装时，将曲面试件(84)安放在一号柔性矩阵夹具单元(81)和二号柔性矩阵夹具单元(82)之间，一号柔性矩阵夹具单元(81)和二号柔性矩阵夹具单元(82)相对移动时就能够通过各个单元支撑柱实现对复杂曲面的夹紧。

8.根据权利6所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，自适应辅助支撑缸(89)是气压式自锁限位气缸，通过气压控制自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆伸出和固定来实现支撑，并且自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆底部安装弹簧，在无外力施加给自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆时，自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆在弹簧作用下保持伸出状态，当曲面试件(84)安放在一号柔性矩阵夹具单元(81)和二号柔性矩阵夹具单元(82)之间时，并在双轴气缸(82)的伸出端缩回时，自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆通过自适应支撑球头(85)和支撑球头(87)与曲面试件(84)底面接触随曲面试件(84)上下活动，当一号柔性矩阵夹具单元(81)和二号柔性矩阵夹具单元(82)完成对曲面试件(84)的夹紧，并在确定压痕试验点位置后，自适应辅助支撑缸(89)的活塞杆的最终位置已经确定，并通过调整自适应辅助支撑缸(89)的气压能够实现活塞杆的锁止，完成对曲面试件(84)的支撑。

9.根据权利6或8所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，自适应支撑球头(85)包括自适应支撑球(851)和自适应支撑球座(852)，自适应支撑球(851)为带有一个平面的球冠体且球冠的平面向上设置，自适应支撑球(851)通过球面副安装在自适应支撑球座(852)内，自适应支撑球座(852)的内球面上有一个矩形的凹槽，自适应支撑球(851)的外球面上有一个矩形的凹槽，自适应支撑球(851)上的矩形凹槽的中心线与自适应支撑球(851)的平面垂直，自适应支撑球座(852)的矩形的凹槽和自适应支撑球(851)的矩形的凹槽通过一个弹性材质的矩形块连接，使自适应支撑球(851)能在自适应支撑球座(852)内转动并具备回位的趋势，以实现自适应支撑球头(85)对曲面试件(84)支撑；支撑球头(87)包括支撑球(871)和支撑球座(872)，支撑球(871)为球体，支撑球(871)通过球面副安装在支撑球座(872)内，支撑球(871)能在支撑球座(872)内自由转动。

10.根据权利1所述的一种适用于复杂曲面的五自由度原位压痕测试装置，其特征在于，原位监测扫描平台(6)的结构为：一个单筒光学显微镜(61)通过一个旋转轴线沿Y轴方向设置的Y轴角度调节架(611)安装在一个旋转轴线沿Z轴方向设置的Z轴角度调节架(612)上，使单筒光学显微镜(61)能够沿Y轴方向的轴线和Z轴方向的轴线转动；Y轴角度调节架(611)的旋转轴线的一端设置有一个Y轴角度调节旋钮(62)，旋转Y轴角度调节旋钮(62)能够使单筒光学显微镜(61)沿Y轴角度调节架(611)的旋转轴线转动；Z轴角度调节架(612)的底部水平设置有一个环形的Z轴角度调节环(614)，Z轴角度调节架(612)的底部转动安装在X轴调焦平台(63)上，旋转Z轴角度调节环(614)能够使单筒光学显微镜(61)在Z轴角度调节架(612)的带动下沿Z轴角度调节架(612)的旋转轴线转动；

X轴调焦平台(63)与固定在一个Z轴调焦平台(68)的水平部上的一号电机(65)的水平方向设置的输出轴通过一个一号电机丝杠螺母(616)和一个一号电机丝杠(615)连接，一号电机(65)的输出轴固定连接有一号电机丝杠(615)，X轴调焦平台(63)的侧端面上固定设置有一号电机丝杠螺母(616)，一号电机丝杠螺母(616)与一号电机丝杠(615)螺纹连接，X轴调焦平台(63)底部的X轴调焦平台滑块(66)与两条间隔对称设置的X轴调焦平台导轨(64)滑动配合连接，两条X轴调焦平台导轨(64)安装固定在Z轴调焦平台(68)的水平部上，一号电机(65)的输出轴带动一号电机丝杠(615)转动带动一号电机丝杠螺母(615)前后移动以驱动X轴调焦平台(63)在Z轴调焦平台(68)的水平部上沿X轴方向前后移动；

Z轴调焦平台(68)与固定设置在T型支撑板(613)上的二号电机(67)的竖直方向设置的输出轴通过一个二号电机丝杠螺母(618)和一个二号电机丝杠(617)连接，二号电机(67)的输出轴固定连接有二号电机丝杠(617)，Z轴调焦平台(63)的侧端面上固定设置有二号电机丝杠螺母(618)，二号电机丝杠螺母(618)与二号电机丝杠(617)螺纹连接，Z轴调焦平台(68)底部的Z轴调焦平台滑块(610)与安装在一个竖直设置的T型支撑板(613)上的两条间隔对称设置的Z轴调焦平台导轨(69)滑动配合连接，T型支撑板(613)位于夹具体底板(813)的后方，二号电机(67)的输出轴带动二号电机丝杠(617)转动带动二号电机丝杠螺母(618)上下移动以驱动Z轴调焦平台(68)在T型支撑板(613)上沿Z轴方向上下移动，进而能够实现单筒光学显微镜(61)成像区域的四个自由度调节，实现大范围内力学性能测试区域原位观测成像；

两个三维轮廓仪(7)安装固定在X轴调焦平台(63)上并位于单筒光学显微镜(61)的两侧，且三维轮廓仪(7)的扫描探头朝向曲面试件(84)，三维轮廓仪(7)能够随X轴调焦平台(63)进行两个自由度运动，实现对曲面试件(84)的三维形貌扫描。